《数据交换技术》PPT课件.ppt

第5章 数据交换技术,5.1 交换技术概述 5.2 交换基本原理 5.3 X.25分组交换网 5.4 帧中继 5.5 异步传送模式(ATM) 5.6 ATM交换网络结构 5.7 网络的路由选择和阻塞控制,5.1 交换技术概述,5.1.1 交换节点的基本组成 交换节点泛指通信网内的各类交换机，它是由交换网络(SN，Switching Network)、通信接口(用户接口、中继接口等)、控制单元以及信号单元等部分所组成的，如图5.1.1所示。,图5.1.1 交换节点的基本组成,1.交换网络 交换系统的基本功能是提供用户通信接口之间的连接。在不同的交换方式中，其连接可以是物理的，也可以是逻辑的。所谓物理连接，是指用户通信过程中，不论用户有无信息传送，交换网络始终按预先分配的方法保持其专用的接续通路；而逻辑连接则只有在用户有信息传送时，才按需分配提供接续通路。因此，逻辑连接也称之为虚连接(Virtual Connection)。在交换系统中，交换网络部分是与硬件有关的交换机构(Switch Fabric)，整个连接过程是受控制单元程序控制的。,2. 通信接口 各类交换系统的通信接口一般分成两种：用户接口(User Interface)和中继接口(Trunk Interface)。用户使用用户线(Subscriber Line)终接到交换系统的用户接口，而交换局间通过中继线连接到中继接口。不同类型的交换系统具有不同的通信接口，通信接口技术主要由硬件来实现，有部分功能可由软件或固件(Firmware，即将其功能程序化后固化在EPROM或PROM内)来完成。,3.信号单元 为满足任意用户之间的连接，由信号单元支持相关的呼叫信号(或信令)来实现寻址功能。不同类型的交换系统所采用的信号方式有很大差别。信令处理过程需用加以规范化的一系列协议来实现。,4.控制单元 交换系统应能在程序控制下有条不紊地完成大量的接续连接，以确保服务质量(QoS)。由图5.1.1可见，交换网络、通信接口、信号单元都与控制单元有关联。不同类型的交换系统有不同的控制技术，与通信协议密切相关。控制技术的实现与处理机控制结构有关，直接会影响到交换系统的性能和服务质量。,图5.1.2 交换方式分类,5.1.2 交换方式 由电信网分类可知，交换方式基本上分为三种，即电路交换(CS，Circuit Switch)、报文交换(MS，Message Switch)、分组交换(PS，Packet Switch)，如图5.1.2所示。 从交换原理上来看，电路交换是基于电路传送模式(又称同步传送模式)的；而报文交换、分组交换则是采用存储/转发模式(如X.25分组交换)的，又称异步传送模式。ATM交换是在快速分组交换的基础上结合了电路交换的优点而产生的高速异步传送模式，并在1992年由ITUT确定为BISDN的基本传送模式。,5.2 交换基本原理,5.2.1 电路交换原理 在计算机通信网中所用的电路交换和电话交换系统的工作原理是相似的，但系统设计的对象是不同的：电话交换系统以话音业务通信为目标；而计算机通信网中的电路交换是面向数据业务的，组成电路交换的公用数据网(CSPDN，Circuit Switching Public Data Network)ZW(利用现有电话网进行数据和计算机通信或拨号上网，,从概念上应理解为电话网上支持的数据传输。对电话网来说，数据传输是它的增值业务。CSPDN在法国、日本已建成，但我国没有采用。 1.电路交换过程 电路交换(Circuit Switching)是根据电话交换原理发展而成的一种交换方式，图5.2.1给出了电路交换的基本框架。,图5.2.1 电路交换的基本框架,所有电路交换的基本处理过程都包括呼叫建立、通话(信息传送)、连接释放三个阶段，如图5.2.2所示。 1) 呼叫建立阶段 图5.2.1中，主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。若被叫用户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)送占用信号，转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。,2)通信阶段 在通信阶段，始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。 3) 连接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，如图5.2.2所示，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。值得说明的是，目前我国的电路交换系统采用主叫计费方式，因此，若被叫先挂机，物理连接暂不释放，由端局向主叫送忙音催挂。,图5.2.2 电路交换的基本处理过程,2.电路交换的主要特点 电路交换的主要特点归纳如下： (1)电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信(全程的传输时间200ms)。 (2)在通信前要通过呼叫为主、被叫用户建立一条局间逻辑的端-端连接。如果呼叫请求数超过交换网的连接能力(过负荷)，用户会听到忙音。衡量电话交换服务质量的指标之一是呼叫损失率，简称为呼损率。,(3)电路交换预分配带宽，话路接通后，即使无信息传送也虚占电路。据统计，传送数字话音时电路利用率仅为36%。 (4)在传送信息时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。采用电路交换方式的交换节点在建立的连接通路上通常只提供一种基本的传送速率(如64kb/s)。为了适应各种业务的不同需要，电路交换方式也进行了变革，如多速率电路交换方式和快速电路交换方式。,多速率电路交换方式的基本思路是使交换节点内的交换网络及控制过程能为不同的业务提供不同的带宽(基于基本速率8kb/s或64kb/s)。快速电路交换方式的基本思路是有用户信息传送时分配带宽和网络资源，也就是在为用户建立连接过程中，由网内相关交换节点通过协商保存所需的带宽、路由，向用户提供的是逻辑连接，即虚电路。,5.2.2 报文交换原理 1.报文交换处理过程 早在20世纪40年代，电报通信系统就采用了报文交换方式。报文交换(Message Switch)与电路交换的工作原理不同，每个报文传送时，没有连接建立和释放这两个阶段。在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发，如图5.2.3所示。,图5.2.3 报文交换的基本处理过程,报文从用户电报终端到交换节点或在交换节点之间的存储/转发过程包括4方面的时延： (1)传播时延(Propagation Delay)，即 tprop=L/v (5.1) 式中，tprop为传播时延，L为传输距离，v为电波速度(3105km/s，实际计算时取为2105km/s)。 (2)传输时延(Transmission Delay)，即 tT=D/C (5.2) 式中，tT为传输时延，D为报文长度，C为传输速率。,(3)处理时延(Processing Delay)tproc， 指交换节点内部执行程序所开销的时间。tproc与报文长度、处理机处理能力等有关。 (4)存储时延(Queueing Delay)tq。 交换节点将收到的报文先在缓存单元存储，等待转发处理。存储时延就是报文在缓存单元的排队时间tq。tq是随机的，与交换节点的交换能力、网络负荷有关。,报文交换的特点如下： (1)交换节点采用存储/转发方式对每份报文完整地加以处理。 (2)每份报文中含有报头，必须包含收、发双方的地址，以便交换节点进行路由选择。 (3)报文交换可进行速率、码型的变换，具有差错控制措施，便于一对多地址传送报文，但网络或交换节点过负荷时将会导致报文延迟。,5.2.3 分组交换原理 分组交换也是一种存储/转发处理方式，其处理过程需将用户的原始信息(报文)分成若干个小的数据单元来传送，这些数据单元称为分组(Packet)，也可称之为“包”。每个分组中必须附加一个分组标题，含可供处理的控制信息(路由选择、流量控制和阻塞控制等)。图5.2.4给出了三台分组交换机(PSE，Packet Switching Equipment)互连而成的分组交换网示意图，图中设每台分组交换机各连一台计算机(或称主机)。 分组交换网可提供两种服务方式：虚电路(VC，Virtual Circuit)和数据报(DG，Data Gram)，下面分别加以解释。,1.虚电路服务 虚电路是分组交换网向用户提供的一种面向连接(CO，Connection Oriented)的网络服务方式，即两个用户(数据终端设备DTE)之间完成一次数据通信的过程，包括呼叫建立、数据传输和呼叫释放三个阶段，其工作过程类似于电话通信。,1)呼叫建立阶段 主叫DTE(主机A)发出呼叫建立分组，通过分组网与被叫DTE(主机B)建立逻辑上的连接，即建立一条虚电路，如图5.2.4中AB虚线表示的虚连接。由于分组交换在网中是采用逐段链路进行存储/转发处理的，因而每段的处理由分组型终端或分组交换机基于线路的传输能力按按需动态分配原则来确定一逻辑信道。因此，一条虚电路实际上是由多段逻辑信道链接而成的。,图5.2.4 分组交换网的虚连接,2) 数据传输阶段 一旦建立了虚电路，分组交换机就会协调两端用户DTE以保持这种逻辑连接。用户可按需要随时发送分组。若用户暂无数据传送，网络可将线路的传送能力和交换机的处理能力为其他用户动态地提供复用服务，这时网络仍为原用户保持逻辑上的连接关系。在虚电路服务方式中，用户所有的分组均按已建立的路径有序地通过网络，因此远端用户的DTE或交换机不需要对收到的分组重新排序，分组在网内的传送时延相对较小，且容易及时发现分组丢失。,图5.2.5 虚电路(SVC)方式分组交换,3) 呼叫释放阶段 当用户要终止通信时，必须通过呼叫释放分组来拆除逻辑连接。具有上述三个阶段的虚电路服务称为交换虚电路(SVC)服务，其处理过程如图5.2.5所示。 此外，网络还可提供永久虚电路(PVC)服务，即用户DTE之间的通信设备没有呼叫建立、连接释放两个阶段，可直接进入数据传输阶段，好像网络向用户提供了一条专线。但这种服务需由用户向电信管理部门预约申请后才有效。,2. 数据报服务 数据报是类似于电报处理过程的一种无连接(CL，Connectionless)的网络服务方式，数据报方式分组交换仍然采用分组(即数据报)作为传送的基本单元，如图5.2.6所示。其工作过程是将每一个分组都当作独立的报文(或称电文)来处理，但每个数据报头都必须包括源地址、目的地地址(也称宿地址)。在交换过程中，每个数据报都需要进行路由选择，路由算法复杂；且同一报文划分成各个数据报后，可能无次序到达目的地，需要进行排序。但数据报分组交换方式不需要连接建立和拆除阶段，具有高度的灵活性；一旦网络出现故障，数据报仍能传送到目的地，可靠性高。,数据报服务方式的特征是：用户DTE之间的通信没有呼叫建立和释放阶段，适宜于短报文通信；对网络故障的自适应能力强，但路由选择方法较复杂；分组传输的时延较大，且可能各不相同。当一个完整的报文被分成三个相对固定长度的分组(P1、P2、P3)来传送时，交换节点收到一个数据报后即可进行转发处理。因此，数据报的网络时延、所占用缓存均小于报文交换，特别适合于计算机通信中的断续性或突发性业务要求。,图5.2.6 数据报文方式分组交换,当前，分组交换网提供的网络服务可分为用户与网络(DTEDCE)接口服务和网内操作两个方面。表5.2.1列出了流行的分组交换网(包括专用网、公用网)所提供的典型服务示例。由此可见，公用分组网如加拿大北方电讯公司NORTEL(现改名为北电网络)产品、美国SPRINT(已改名为LUCENT朗讯)产品都具有ITUTX.25建议的接口规程虚电路服务，不采用数据报服务，因为自1984年后,ITUT的X.25建议取消了这种服务方式。网络内部操作方式至今尚未有统一的规程，因此，网内操作有虚电路(如SPRINT)和数据报(如NORTEL)两种方式。,表5.2.1 分组交换网的服务和操作方式,3.分组交换的特点 综上所述，分组交换的主要优点可以归纳如下： (1)能够实现不同类型的数据终端设备(含有不同的传输速率、不同的代码、不同的通信控制规程等)之间的通信。 (2)分组多路通信功能。由于提供线路的分组动态时分复用，因此提高了传输介质(包括用户线和中继线)的利用率；每个分组都有控制信息，使分组型终端和分组交换机间的一条传输线路上可同时与多个不同用户终端通信。,(3)数据传输质量高、可靠性高。每个分组在网络内中继线和用户线上传输时可以分段独立地进行差错流量控制，因而网内全程的误码率可达10-10以下。由于分组交换网内具有路由选择、拥塞控制等功能，当网内线路或设备产生故障时，网内可自动为分组选择一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断。,(4)经济性好。分组交换网是以分组为单元在交换机内存储和处理的，因而有利于降低网内设备的费用，提高交换机的处理能力。由于分组采用动态时分多路复用，大大提高了通信线路的利用率，相对可降低用户的通信费用。另一方面，分组交换方式可准确地计算用户的通信量，因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算，而与通信距离无关。分组交换网可通过网络管理系统对网内实行分散式处理、控制和集中维护的管理模式，提高网络全程的运行效率。,分组交换机也有以下缺点： (1)由于采用存储/转发方式处理分组，所以分组在网内的平均时延可达几百毫秒。 (2)每个分组附加的分组标题都会需要交换机分析处理，因而增加了开销。因此，分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。 (3)分组交换技术比较复杂，涉及到网络的流量控制、差错控制、代码和速率的变换方法、接口控制、网络的管理与控制的智能化等。,5.3 X.25分组交换网,5.3.1 X.25接口规程2427 ITUTX.25建议是分组交换公用数据网(PSPDN)的接口规程，其全称为：在公用数据网(PDN)上连接分组型终端(DTE)和DCE之间的同步通信规程(以后简称为X.25规程)。它是非常著名的建议，并在1976年正式成为国际标准。,X.25规程是由原CCITT在综合各国提交的建议基础上，经过反复讨论和修改而成的，已被许多国家所采用，是当今世界上应用广泛的成功建议之一。但从技术背景上来看，它是在以模拟通信系统为主的环境下投入使用的，因此存在处理过程较复杂的缺点，不能满足当前高速化计算机通信技术的要求。如前所述，X.25规程是先于OSI参考模型制定的通信接口规程，因此它所使用的名称、功能与OSIRM略有不同。从层次结构来看，X.25规程与OSI参考模型的下三层相对应，如图5.3.1所示。,图5.3.1 X.25接口规程,X.25规程有三个功能层次：分组级(Packet Level)、帧级(Frame Level)、物理级(Physical Level)。 其中，帧级采用LAPB(链路接入平衡方式)，物理级采用X.21标准。 当高层的TPDU传递到分组级时，分组级将其加上分组头，形成数据分组，然后传递到数据链路层(帧级)的LAPB实体，由该实体给分组加上帧头、帧尾，形成LAPB帧。最后，该分组以帧为单元经物理层通过接口形成比特流传输。,5.3.2 X.25分组级 X.25分组级利用帧级提供的服务在DTEDCE接口之间进行分组交换。它定义了DTEDCE之间传输分组的过程，并且能在一条数据链路上(按动态时分复用技术)为用户DTE建立多条虚电路，实现多向同步通信。这种面向连接的虚呼叫服务涉及到DTE(本端与远端)，因此X.25的分组级具有端到端的意义(这是与OSIRM网络层不同之处)。,X.25分组级的功能为： (1)提供交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)的连接。 (2)提供虚电路的建立和拆除(或称释放)的方法。 (3)为每个用户呼叫(指一次通信过程)分配一个逻辑信道。 (4)依据逻辑信道组号(LCGN)和逻辑信道号(LCN)来识别与每个用户呼叫有关的分组。 (5)为每个用户的通信提供有效的分组顺序扩展和流量控制技术。 (6)检测且恢复分组级的差错。,1.分组标题和类型 为了实现分组级功能，需要熟悉分组的类型和格式。所有的分组都置于信息帧的信息字段I中，每个信息帧载有一个分组(参见图5.3.1)。 X.25分组级的分组可分为两大类：数据分组(带有分组级用户的数据)和控制分组。为了区分分组类型，实现分组级的通信控制，各类分组均含有至少三个字节的分组标题(亦称分组头)，如图5.3.2所示。,图5.3.2 分组标题格式 (a)分组头格式；(b)GFI格式,分组标题又可分为三个部分： (1) 通用格式识别符(GFI)。 GFI占用分组标题第一字节的高4位，如图5.3.2(b)所示。其中： Q比特(比特8)称为限定比特，用于识别传送的数据分组是用户的数据流(Q0)或控制流(Q1)。 D比特(比特7)表示数据分组的确认属性，D0表示数据分组为DTEDCE之间的本地确认，D1则表示数据分组为端-端(DTEDTE)之间的确认。,SS比特(比特6、5)称为模式比特组。SS01表示分组的顺序编号按模8方式(正常模式)工作，SS10表示按模128方式(扩展模式)工作。 (2) 逻辑信道组号和逻辑信道号。 逻辑信道组号(LCGN)和逻辑信道号(LCN)主要用来识别DTEDC接口中所用的逻辑信道，共12比特。其中，LCGN为高4比特(第一字节的低4位)，LCN为低8比特(第二字节)，共可提供4096个逻辑信道(即16组256LCN/组)，其序号为04095，0号逻辑信道专用于诊断、再启动(或称重新启动Restart)等。,(3)分组类型识别符(TYPE)。 分组类型识别符的第一比特()用于区分控制分组与数据分组，该比特为0表示是数据分组。控制分组的第三字节第一比特一定是1。控制分组按属性可分为以下6类。 (1)呼叫建立和拆除分组。呼叫建立分组用于在DTEDCE之间建立虚电路，包括呼叫请求分组、呼叫指示(入呼叫)分组、呼叫接受分组和呼叫连接(接通)分组。呼叫拆除分组用于拆除两DTE间的虚电路，包括拆除请求分组、拆除指示分组和拆除证实分组。,(2)数据传输和中断分组，主要用于在DTEDCE之间进行数据传输与中断，中断分组具有较高的优先级。 (3)流量控制分组，只有RR、RNR、REJ三类分组，但DCEDTE传输方向不使用REJ分组。 (4)恢复分组，实现分组级的差错恢复，包括复位(Reset)分组、重新启动(Restart)分组。 (5)登记分组，用于在线业务登记(含登记请求和登记证实)。 (6)诊断分组。 分组类型识别符的编码格式如表5.3.1所示。,表5.3.1 分组类型识别符的编码格式,2. X.25分组级通信过程 在X.25接口规程的早期版本中，可提供虚电路服务和数据报服务，但在1984年版本中，取消了数据报服务方式。因此，X.25分组级通信是以虚电路服务为基础的，整个通信过程包括了三个阶段：呼叫建立阶段、数据传送阶段和呼叫拆除(释放)阶段，如图5.3.3所示。,图5.3.3 X.25的分组级通信过程,1) 呼叫建立阶段 一般约定发起呼叫的一方称主叫，接收虚呼叫的另一方称被叫。面向连接的虚电路建立过程如下： (1)主叫DTE向本地DCE发送一个呼叫请求(Call Request)分组，其格式如图5.3.4所示；由主叫DTE分配逻辑信道号LCN1。 (2)主叫DCE将该分组按网内规程(包括转换格式、选择路由)等传输到被叫(远端)DCE。,(3)被叫DCE分配LCN2，用入呼叫(Incoming Call)分组(其格式与呼叫请求分组的格式相同)传送到被叫DTE。 (4)被叫DTE若接受呼叫，则回送呼叫接受(Call Accepted)分组到被叫DCE，其逻辑信道号仍为LCN2。 (5)经网内规程处理到达主叫DCE的分组采用呼叫连接(Call Connection)分组，取LCN1送到主叫DTE，表示虚电路已建立。,图5.3.4 呼叫请求/入呼叫分组格式,呼叫请求分组与入呼叫分组具有相同的格式(参见图5.3.4)，是比较复杂的。分组中除了含有必须的三字节分组标题外，其后还跟随一个字节定义为地址长度，分别用4位二进制数表示主、被叫DTE地址长度。DTE地址长度是按ITUTX.121建议规定的，采用15位十进制数，如图5.3.5所示。其中，1位十进制数P为前缀，我国定为0;DNIC为数据网识别码，分成两部分：,国家号(3位)和网络号(1位)。我国China PAC的DNCI为4603。图中Z为数字(27)，表示数据网，8为Telex(电传)，9为电话网，数字X为09。NTN网络终端号有10位十进制数，目前暂用8位，其分配见图中解释。若DTE地址的最大长度为15位十进制数，则DTE地址长度字段表示为1111，因此，在呼叫请求/入呼叫分组格式中地址字段需占8个字节(实为7.5字节)，最后的低4位填充“0”。,图5.3.5 X.121国际编号格式,业务功能字段长度表示后随的业务功能字段的字节数。业务功能则以代码方式描述了虚呼叫要求的各项可选业务功能，每一种业务功能都由一个功能码与相关的参数值组成(由ITUTX.2建议定义)。呼叫用户数据字段最多可包含16个字节的用户数据。 呼叫接受/连接分组也使用如图5.3.4所示的格式，但其分组类型识别符为(OF)H，地址与业务功能字段是可选项；此外，只有使用快速选择业务时才用呼叫用户数据字段(含被叫用户的数据)。,在DTEDCE接口上一次呼叫分配的LCN对应着一条双向的逻辑信道，即上述呼叫请求分组和呼叫连接分组用相同的LCN1，而入呼叫分组与呼叫接受分组用相同的LCN2。主叫DTE到被叫DTE之间建立的一条虚电路是由各段链路上的逻辑信道链接而成的。表5.3.2列出了虚电路和逻辑信道间的关系。,表5.3.2 虚电路和逻辑信道间的关系,当DTE和DCE同时用一个LCN发送呼叫时，也就是DTE发呼叫请求分组时，同一侧的DCE发入呼叫分组，它们都用了相同的LCN，这种现象称为呼叫冲突。当遇到冲突时，DCE应取消入呼叫，继续处理DTE送来的呼叫请求分组。 图5.3.6画出了分组多路通信的端口号、逻辑信道及用户呼叫的关系图。,图5.3.6 分组多路通信的端口号、 逻辑信道及用户呼叫的关系图,由图5.3.6可见，虚呼叫1由主叫DTE的分组经端口1及LCN85到本地DCE的端口2；在本地DCE内存有路由表，指明用网内规程分配的LCN150，且将分组转换成网内分组格式(数据报方式)，从端口3到端口4；被叫DCE内的路由表选择端口7和LCN10与被叫DTEC相连。同理，可知虚呼叫2、3分别与被叫DTEB和A连通，主叫DTE可按动态时分复用方式实现分组多路通信。从概念上来说，依据逻辑信道号、端口号和虚呼叫之间的关系，使接收端能够很方便地识别主叫DTEDCE间的LCN85，被叫DTEDCE的LCN10，就可知其对应着虚呼叫1。图5.3.7给出了三条虚电路表示不同方向的分组多路通信示例。,图5.3.7 分组多路通信示例,图中，AB虚电路是由LCN(逻辑信道号)6490400组成的；AC虚电路是由LCN(逻辑信道号)7495260组成的；BC虚电路是由LCN(逻辑信道号)4019196261组成的。 分组在交换网中逐段对链路进行存储/转发处理，每段的处理由分组型终端或分组交换机基于电路传输能力按按需动态分配的原则确定一个逻辑信道，逻辑信道号仅具有本地意义。一条虚电路实际上是由多段分配的逻辑信道链接而成的。 呼叫建立过程的异常处理过程为：被叫DTE拒绝接受呼叫,网络拒绝呼叫,超时处理。,2) 数据传输阶段 在主叫DTE和被叫DTE之间通过呼叫建立建立了虚电路后，即可进入全双工的数据传输阶段。X.25分组级的用户数据传送以数据分组为基本单元，规定标准(缺省)的数据分组长度为128字节。,在数据传输阶段，还常用到流量控制分组。其中，RR分组表示接收准备好，用于通知发方可在允许的范围内继续发送；RNR分组表示接收端未准备好(示忙)，要求对方从P(R)指示的分组编号开始停发；REJ分组表示收端检测出分组有错，拒绝接收，并通知发方应从P(R)开始重发。X.25分组级规定，只允许DTE使用REJ分组。,分组级也采用滑动窗口机制，分组级的窗口尺寸W的默认值为2，用户可按需要在每次呼叫请求中选择窗口尺寸和分组长度。当报文被分割为若干分组穿越网络时，为有利于在目的地对报文进行重新组装，于是定义了完整的分组序列。一个完整的分组序列是由零个或多个A分组和后随的一个B分组组成的。 A分组的长度等于分组的最大允许长度； B分组由任何不是A分组的余数字节组成。,3) 呼叫拆除阶段 虚呼叫可由主叫、被叫DTE拆除，也可由网络(本地DCE或远端DCE等)来拆除。呼叫拆除规程使所有与呼叫有关的网络资源(如LCN)释放，所有网络信息则被拆除。呼叫拆除分组格式为分组标题拆除原因码(1字节)诊断码(可选项)。由DTE发送的拆除请求分组中，拆除原因码置为0；由DCE启动呼叫拆除时，应发送拆除指示分组(内含拆除原因码)。,4) 分组级恢复规程 X.25定义了在呼叫建立、数据产生过程中出错时使用的一组恢复规程，如复位(Reset)、重新启动(Restart)、诊断及拆除规程。如前所述，拆除规程既可正常释放虚电路，又可进行由故障引起的恢复处理。 (1)虚电路复位。 复位分组是使一条交换虚电路(SVC)或永久虚电路(PVC)复原，对应所有的DTE、DCE，其V(S)、V(R)的值均置0。复位请求分组格式也是3字节分组标题后随原因码(1字节)和诊断码(可选项)。,(2)重新启动。 重新启动是指拆除DTEDCE接口上的所有交换虚电路和所有永久虚电路。 (3) 诊断。 诊断分组的LCGN和LCN为0，其格式也为分组标题(3字节)后随诊断码(1字节)以及诊断解释。当网络中出现异常分组时，DCE丢弃这些分组，并向DTE用诊断分组指示在分组级无力恢复的出错信息，供高层分析，以便恢复处理。使用时不需要DTE对诊断分组证实。一般异常分组包括分组长度小于3字节、GFI不正确、LCN值超出可分配范围的分组。,5.3.3 X.25帧级 X.25帧级采用了ISO开发的高级数据链路控制(HDLC)规程的帧结构，且是HDLC的一个子集。 (1)X.25帧级采用了异步平衡模式的LAPB规程(平衡式链路接入规程)，允许两个复合站中任意一站发送置异步平衡模式(SABM)命令表示要求建立链路，另一站用UA(未编号确认)帧响应，即可建成双向的链路。X.25帧级不使用SNRM、SARM模式。,X.25帧的地址字段为8比特(亦称八位组，Octets)，在点-点链路中用于区分两个方向的命令帧/响应帧和单链路/多链路(ITUT在1984年对X.25建议的修改方案中增加了多链路规程)；X.25接口为全双工方式，DTE和DCE均是复合站，即都可以发送命令和响应。命令帧用于发送信息或产生某种操作(如SABM帧)，响应帧则用于对命令帧响应。,表5.3.3中列出了基于这个特征的X.25帧地址字段的值。在单链路规程中，DCE发送命令和响应的地址为A；DTE发送命令和接收响应的地址为B。X.25的帧级定义了多链路规程，它是将DTE和DCE接口处物理上存在的多条双向链路(每条均为单链路)组合成逻辑上的一条双向链路。为区分多链路的帧，地址定义为C和D，其应用和单链路情况下的A和B相对应，如图5.3.8所示。地址字段的值不是A、B、C和D时，判为无效帧处理。,表5.3.3 X.25帧地址字段的值,图5.3.8 X.25帧的地址定义,(2) X.25控制字段的I帧、S帧的格式和用法与HDLC相同，只是在X.25的监视帧中，仅用了RR、RNR和REJ；X.25帧级采用了连续ARQ(即GoBackN)技术，并不采用SREJ(选择重传ARQ)。 (3)X.25的U帧仅使用了下面5种命令/响应： SABM置异步平衡模式，要求建立链路(命令帧)。若SABME是置异步平衡扩展模式，则C字段要用扩展模式，N(S)、N(R)为7比特，模128。对方收到SABM后，用UA帧作肯定的响应，表示同意建链；用DM帧作否定的响应。,DISC(断链)用于通知对方要求断开链路的连接。 DM(已断开)表明本方已与链路断开，可用来对未编号命令帧进行否定应答。 UA(未编号证实)用于对未编号命令帧进行肯定应答。 FRMR(帧拒绝)用来向对方报告出现了用重发帧的措施已无法克服的差错状态。例如，出现下列情况之一：接收到一个I帧，(I)字段超出规定范围；I帧(I)字段不是8的倍数；S帧或U帧的长度不符合要求；无效的N(R)；C字段的表明未定义等差错。,此外，X.25帧级采用连续ARQ的方法，该方法可检测传输差错，并从出错的帧序号开始重传。X.25的帧校验序列(FCS)是一个16比特的序列，用来校验帧通过链路传输时产生的各种错误。ITUT定义了一个生成多项式为G(x)x16x12x51。在接收端，将帧标志之间的比特序列除以G(x)，可得余数R(x)。若链路传输无差错，则R(x)应为定值，即比特序列为0001110100001111(左边对应为多项式的高次项)，否则即判断有错。,5.3.4 X.25物理级 X.25物理级定义了DTE与DCE之间的接口特性，为帧级提供一个物理连接，实现比特流的透明传输。 X.25物理级与OSI参考模型的物理层一样，并不包含具体的传输介质和设备，而主要考虑面对连接开放系统的传输介质和设备，以及不同的通信手段，如何传输各种数据的比特流，其根本目的是尽可能地屏蔽那些差异。,涉及物理级的建议和规程比较多，如： ITUTV系列建议:有关电话网上数据传输的接口标准，如V.24等。 ITUTX系列建议：有关公用数据网上数据通信的建议和接口标准，如X.25、X.21建议。 ITUTI系列建议：有关综合业务数据网(ISDN)上数据、电话、图像通信的相关接口建议，如I.430，I.431等。,5.3.5 分组交换网性能指标 ITUTX.135X.137建议从速率、准确性、可信性和可用性4个基本方面定义了14项公用分组交换网的网络服务质量(QoS)参数：呼叫建立时延、数据分组传送时延、网络吞吐量、呼叫释放指示时延、呼叫建立差错率、呼叫建立失败率、呼叫释放失败率、复位受激率、残留差错率、网络可用性、平均服务中断间隔时间等。本节简要介绍一些较常用的网络性能指标。,1.网络时延 网络时延是指从一个分组的最后一位比特进入网络源节点起，直到分组的第一位比特离开目的节点出网的时间。它是衡量公用分组网性能的一项重要指标。数据分组传送时延是指数据分组的网络时延。 网络时延取决于网络节点(交换机)的处理能力(包括排队时延、处理时间)，分组的类型、长度和传输速率(传输时间)、传输距离(传播时间)，及从源节点到目的节点所途经的交换机节点的数量，如图5.3.9所示。,图5.3.9 影响网络时延的因素,如果入网的分组要经过多次中继转接，则网络总时延是各段时延之和。由于分组的排队时延，路由和网内结构及网内信息流量因素有关，具有随机性，因此各个分组的网络时延值也不同，常用统计平均值表示，称为网络平均时延。 若要考虑用户DTE之间的时延，则要将网络时延再加上用户线段的传输时延。,面向连接的虚电路服务PSPDN有呼叫建立时间、呼叫拆除(释放)时间。呼叫建立时间是指主叫DTE用户从发出呼叫请求分组后，至收到呼叫连通分组之间的时间。同样，由于每次呼叫与所经过的路由和被叫用户在网中的位置不同，通常此指标也取其平均值。 2.网络吞吐量 网络吞吐量是指单位时间内分组通过网络的能力。实际上，网络吞吐量主要取决于网内各分组交换机的吞吐量。交换机吞吐量定义为每秒进出交换机的数据分组数的最大值。分组长度默认为128字节，大型分组交换机的吞吐量每秒可达几千个分组。,3.呼叫处理能力 呼叫处理能力是指交换机每秒能够连续处理呼叫的最大次数。所谓一次呼叫，是指建立一次虚电路后立即将其释放的过程，一般为每秒几十到几百个呼叫。呼叫处理能力中的呼叫建立差错率、呼叫建立失败率、呼叫释放失败率分别是呼叫建立和释放过程中出现差错或失败的概率。,4.网络可用性 网络可用性表示在统计时间内分组交换网不中断服务的能力，用(Availability)表示:,(5.3),式中，nu为网络用户数，nf为故障用户数，t为统计 时间，tf为故障时间。,统计时间可用周或月为单位。此指标适用于交换虚电路或永久虚电路服务，对地面传输国家网来说，不小于99.5%。 另一指标是平均服务中断间隔时间，即MTBF。可靠性(Reliability)是指网络运行t时间内发生故障的概率，即,(5.4),5.残留差错率 残留差错率是反应分组交换网传输质量的指标。在一个测量周期内，残留差错率是错收、漏收、重收的用户数据比特数之和与网络传输的用户数据比特数之比。对地面传输国家网来说，其值不应超过10-10。,5.4 帧 中 继,如前所述，分组交换技术具有许多独特的优越性，利用它已建成了全球性的公用数据通信网络。但进入20世纪80年代后期以后，随着计算机技术和通信技术的不断发展和进步，用户对数据通信网的速率提出了更高的要求，,现有的X.25分组交换网的体系结构和接口协议已不适合于高速交换和服务的市场需求，因而快速分组交换(FPS，Fast Packet Switching)技术的研究与开发应运而生。快速分组交换是一个总的概念， 在实现的技术上有两大类：帧中继(Frame Relay)和信元中继(Cell Relay)。本节主要介绍帧中继的工作原理和特点、技术标准和体系结构、通信协议、业务功能和服务特征等。,5.4.1 帧中继基本原理与特点 1.什么是帧中继 帧中继是在OSI参考模型的第二层(数据链路层)上，采用简化协议的方法，且以帧为单元来传送数据的一种技术。帧中继起初是由AT&T作为NISDN的帧方式的承载业务提出来的。其产生的技术背景是：传输网络实现了数字化和传输介质实现了光纤化，传输误码率比模拟网要小很多；用户终端设备的处理能力大为提高。 这些应用环境为帧中继在网内简化通信协议、提高帧中继用户的接入速率创造了条件。,2. 帧中继技术的特点 与X.25分组交换相比，帧中继技术的特点为： (1)帧中继协议简化了X.25分组级功能，只有物理层和数据链路层两个层次，使网内节点的处理大为简化。在帧中继网中，一个节点收到一个帧大约只需执行6个检测步骤。运行结果表明，采用帧中继时，一个帧的处理时间可以比X.25的处理时间减少一个数量级，这就提高了帧中继网的处理效率。,(2)帧中继传送的基本单元为帧，帧的长度是可变的，最大允许长度为1600字节，比X.25网的缺省分组128字节长。因此，帧中继特别适合于封装局域网的数据单元，减少了分段与重组的处理开销。,(3)帧中继在数据链路层完成动态(统计)复用、帧透明传输和差错检测。但与X.25网不同的是，帧中继网内节点若检测到差错，则将出错的帧丢弃，不采用重传机制，减少了帧编号、流量控制、应答等开销，由此减少了交换机的处理时间，提高了网络吞吐量，降低了网络时延。例如，X.25网内每个节点进行帧检验产生的时延为510ms，而帧中继节点的处理时延小于2ms。,(4)帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和阻塞控制机制，使用户能合理传送超出约定带宽的突发性数据，充分利用网络资源。 (5)帧中继现可提供给用户的接入速率在64kb/s2.048Mb/s，也可达45Mb/s。 (6)与X.25分组交换一样，帧中继采用了面向连接的工作模式，可提供PVC业务、SVC业务。由于帧中继的SVC业务对用户的资费并不能带来明显的好处，因而，SVC业务主要用于局域网的互联，实际中大多采用PVC业务。,5.4.2 帧中继协议结构 帧中继的协议结构如图5.4.1所示，它包括两个操作平面：控制平面(Cplane)用于建立和释放逻辑连接，传送与处理呼叫控制消息；用户平面(Uplane)用于传送用户数据和管理信息。,图5.4.1 帧中继的体系结构,1.控制平面 控制平面(简称C平面)使用ITUTQ.931(或I.451)和Q.921两个协议。Q.931或I.451是为NISDN用户-网络接口(UNI)提供基本呼叫控制用的第3层规范，定义了对帧中继提供SVC业务的呼叫建立过程，其功能是处理和传送呼叫控制消息，并完成多条数据链路的管理。 在OSI第2层的Q.921协议是一个完整的数据链路协议，它在C平面中为Q.931的控制信息提供可靠的传输。C平面协议仅在用户和网络之间操作。,2.用户平面 用户平面(简称U平面)使用了ITUT于1991年作为内部建议公布的新建议Q.922。Q.922是Q.921(I.441)中所描述的LAPD(Link Access Procedureonthe Dchannel)的扩充版本。 LAPD是一组OSI第2层协议，用于在ISDN的D通路上实现可靠的数据链路服务，是X.25的LAPB协议的改进形式，也是帧中继标准的基础。,Q.922将Q.921协议细分为两个子层(DLCORE和DLCONTROL)，在DLCORE中加入了一系列拥塞控制，使协议可用于H通道(H0384kb/s、H101538kb/s或H111920kb/s数字通路)等高速通道。对应有LAPE和LAPF(E表示扩展，F表示帧中继)。,3.Q.922核心部分(DLCORE)的功能 帧中继网只用到了Q.922核心部分(DLCORE),其功能如下： 帧定界、同步和透明传输； 用地址字段实现帧复用和解复用； 对帧进行检测，确保0比特插入前/删除后的帧长是整数个八位组(Octets)； 对帧进行检测，确保其长度不致于过长(Jabbers)或过短(Runts)； 检测传输差错； 拥塞控制。,U平面的核心功能(DLCORE)只提供无应答的数据链路层传输帧的基本服务，构成了数据链路层的子层。Q.922的其余部分(DLCONTROL)是用户侧的用户平面可选功能，提供了窗口式的应答传输。帧中继所提供的面向连接的数据链路层服务具有下列特性： 保持网络出、入口处所传帧的顺序； 确保不交付重复帧； 帧丢失率很小。 帧中继方式中的用户数据帧在网内中间节点基本不做处理，只是丢弃出错的帧，由用户侧高层进行差错恢复处理。这种体系结构将网络应完成的处理减到最少。,5.4.3 帧中继的帧格式 ITUTQ.922核心功能所规定的帧中继的帧格式如图5.4.2(a)所示。Q.922核心协议的附件A所定义的数据链路层帧方式承载业务，即LAPF(及LAPE帧)的帧格式如图5.4.2(b)所示。,图5.4.2 帧中继的帧格式,按Q.922核心功能定义的帧中继的帧格式和LAPF的格式类似，最主要的区别是帧格式中没有控制字段。 1.标志字节(F) 标志字节是一个01111110的比特序列，用于帧同步、定界(指示一个帧的始/末)。 2.地址字段(A) 地址字段一般为2字节，也可扩展为3或4字节。地址字段又由下列几部分组成：,(1)数据链路连接标识符(DLCI，Data Link Connection Identifier)。当采用2字节的地址字段时，DLCI占10位，用于标识永久虚电路，呼叫控制或管理信息(见表5.4.1)。 可见，帧中继技术专设的一条数据链路连接(DLCI=0)上传呼叫控制信号，类似于ISDN所采用的共路信令，具有“带外信令”性质。DLCI共有992个地址供帧中继使用。与X.25的虚电路号相似，对于标准的帧中继接口，DLCI只有本地意义。这就是说，在一个帧中继的连接中，在连接两端的UNI上，一般来说，所使用的两个DLCI可以不一样。,表5.4.1 帧中继DLCI说明,(2)命令/响应字段(C/R)。 命令/响应字段与高层应用有关，帧中继本身并不使用。 (3) 扩展地址(EA)。 当EA为0时，表示下一个字节仍为地址字段；当EA为1时，表示下一个字节为信息字段的开始。依照此法，地址字段可扩为3字节或4字节。这样，当地址字段A为3字节时，DLCI为17bit，第3字节中DLCI占高7位，其余格式不变；当地址字段A为4字节时，DLCI为24bit(所加第3、4字节的高7位为DLCI)。,(4)正向显式拥塞通知(FECN，Forward Explicit Congestion Notification)。若某节点将FECN置为1，表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而时延。 (5)反向显式拥塞通知(BECN，Backward Explicit Congestion Notification)。若某节点将BECN置为1，即指示接收者，与该帧相反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而时延。,(6)丢弃指示(DE，Discard Eligilility)。 DE由用户置为1，表明当网络发生拥塞时，该帧与DE为0的帧相比应先被丢弃。由于帧中继网是双向传输的，用此方法既允许用户可以比约定条件下更快更多地发送一些帧，又可调节网内的流量，维持网络的服务水平。,3.信息字段(I) 允许用户数据长度可变，最大长度可由用户与网络管理部门协商确定。但在用于LAN互联时，网络支持的最大长度不少于1600字节，以便用户在分段与重组时开销不至于太大。 4.帧校验序列(FCS) 帧校验序列(FCS)与X.25中FCS的含义相同，用来检查帧通过链路传输时可能产生的差错。,5.4.4 帧中继的管理与控制 1.帧中继的逻辑链路连接 帧中继提供两种基本业务：交换虚电路(SVC，Switched Virtual Circuit)和永久虚电路(PVC，Permanent Virtual Circuit)。无论是PVC还是SVC，帧中继的逻辑链路连接都是通过DLCI来实现的。,DLCI包含于帧的地址字段中，它是附加在帧上的一种标记。当帧通过网络节点时，DLCI可以被改变，因此DLCI只有本地意义。帧中继的PVC和DLCI寻址如图5.4.3所示。DLCI并不指示目的站点地址，而是被用来标识用户和网络节点以及节点与节点之间的逻辑连接。帧中继中DLCI的作用与X.25分组标题中的LCN的作用相似。帧中继由多段DLCI的链接构成端到端的虚电路，图中终端A-B和AC间的两条永久虚电路分别由各段的DLCI构成，即35455565和405060；而X.25的分组级通过多段LCN构成端到端的虚电路。不同的是，帧中继在链路层实现了网络(线路和交换机)资源的统计复用，而分组交换(X.25)是在网络层实现统计时分复用的。,图5.4.3 帧中继的PVC和DLCI寻址,帧中继网节点一旦收到帧的首部，就可立即开始转发此帧，即在帧的尾部还未收到之前，节点(交换机)就可将帧的首部发送到下一相邻交换机。显然，帧中继网中节点处理帧是以所传送的帧基本不出错为前提的。若帧出现传输差错，则按帧校验序列检错方法，只有在整个帧完全被收下后节点才能处理差错，但帧中继的节点检测到出错时，大部分帧可能已转发到下一个节点了。,解决这个问题的办法是：当检测到有误码的节点时应立即中断这次传输，当中断传输的指示下达到下一个节点后，下